Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Сигналы и Линейные системы. Тематические лекции / ts06-Дискретные преобразования .doc
Скачиваний:
63
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
226.3 Кб
Скачать

6.2. Преобразование Лапласа.

Дискретное преобразование Лапласа (ДПЛ), как и ДПФ, может быть получено из интегрального преобразования дискретизаций аргументов (tk = kt, n = n):

Y(p) =y(t) exp(-pt) dt, Y(pn) = ty(tk) exp(-pntk), (6.2.1)

где p = +j- комплексная частота, 0.

y(t) = (1/2j) Y(p) exp(pt) dp. y(tk) = tY(pn) exp(pntk). (6.2.2)

Функцию Y(p) называют изображением Лапласа функции y(t) - оригинала изображения. Нетрудно заметить, что при  = 0 преобразование Лапласа превращается в одностороннее преобразование Фурье, а для каузальных сигналов - в полную аналогию ПФ. Наиболее существенной особенностью преобразования Лапласа является возможность его применения для спектрального анализа функций, не имеющих фурье-образов из-за расходимости интегралов Фурье. Для понимания последнего запишем интеграл Лапласа в развернутой форме:

Y(p) =y(t) exp(-t-jt) dt =y(t) exp(-t) exp(-jt) dt =y'(t) exp(-jt) dt.

Правый интеграл для каузальных сигналов представляет собой преобразование Фурье, при этом сам сигнал y'(t) за счет экспоненциального множителя exp(-t) соответствующим выбором значения >0 превращается в затухающий, конечный по энергии, что и требуется для существования его фурье-образа. Все свойства и теоремы преобразований Фурье имеют соответствующие аналоги и для преобразований Лапласа.

Пример сопоставления преобразований Фурье и Лапласа приведен на рис. 6.2.1.

Рис. 6.2.1. Сопоставление преобразований Фурье и Лапласа.

6.3. Z - преобразование сигналов [2,13,21].

Определение преобразования. Распространенным способом анализа дискретных цифровых последовательностей является z-преобразование (z-transform). Оно играет для дискретных сигналов и систем такую же роль, как для аналоговых – преобразование Лапласа.

Произвольной непрерывной функции s(t), равномерно дискретизированной и отображенной отсчетами sk = s(kt), равно как и непосредственно дискретной функции, можно поставить в соответствие степенной полином по z, последовательными коэффициентами которого являются значения sk:

sk = s(kt)  TZ[s(kt)] =sk zk = S(z). (6.3.1)

где z = +jv = rexp(-j) - произвольная комплексная переменная. Полином S(z) называют z-образом или z-изображением функции s(kt). Преобразование имеет смысл для области тех значений z, в которой ряд S(z) сходится, т.е. сумма ряда представляет собой аналитическую функцию переменной z, не имеющую полюсов и особых точек.

Пример: sk = {1, 2, 0, -1, -2, -1, 0, 0}.

S(z) = 1z0+2z1+0z2-1z3-2z4-1z5+0z6+0z7 = 1+2z-z3-2z4-z5.

Впервые z-преобразование введено в употребление П.Лапласом в 1779 и повторно "открыто" В.Гуревичем в 1947 году с изменением символики на z-1. В настоящее время в технической литературе имеют место оба вида символики. На практическое использование преобразования это не влияет, т.к. смена знака только зеркально изменяет нумерацию членов полинома (относительно z0), числовое пространство которых в общем случае от - до +. В дальнейшем в качестве основной будем использовать символику положительных степеней z, давая пояснения по особенностям отрицательной символики, если таковая имеется.

По заданному или полученному в результате анализа какой-либо системы z-полиному однозначно восстанавливается соответствующая этому полиному функция путем идентификации коэффициентов степеней при zk с k-отсчетами функции.

Пример: S(z) = 1+3z2+8z3-4z6-2z7 = 1z0+0z1+3z2+8z3+0z4+0z5-0z6-2z7.

sk = {1, 0, 3, 8, 0, 0, -4, -2}.

Смысл величины z в z-полиноме заключается в том, что она является оператором единичной задержки по координатам функции. Умножение z-образа сигнала s(k) на величину zn означает задержку сигнала на n интервалов: znS(z)  s(k-n).

Z-образы с положительными степенями z соответствуют каузальным (физически реализуемым) процессам и системам, которые работают в реальном масштабе времени с текущими и "прошлыми" значениями сигналов. При обработке информации на ЭВМ каузальность сигналов не относится к числу ограничений и возможно использование отрицательных степеней z, соответствующих отсчетам сигналов "вперед". Последнее применяется, например, при синтезе симметричных операторов фильтров, что позволяет производить обработку информации без внесения в сигнал фазовых искажений. При использовании символики z-1 "прошлым" значениям соответствуют значения с отрицательными степенями z, "будущим – с положительными.

Основное достоинство z-преобразований заключается в простоте математических операций со степенными полиномами, что имеет немаловажное значение при расчетах цифровых фильтров и спектральном анализе.

Примеры z-преобразования часто встречающихся на практике дискретных сигналов.

Импульсы Кронекера. В общем случае, в произвольной точке числовой оси:

(k-n) при k=n, (k-n) = 0 при k ≠ n.

X(z) =(k-n) zk = zn.

Для импульса Кронекера в нулевой точке соответственно X(z) = z0 =1.

Функция Хевисайда (единичный скачок).

x(k) 0 при k < 0, x(k) = 1 при k  0.

X(z) =zk = zk.

Ряд сходится при |z| < 1, при этом его сумма равна:

X(z) = 1/(1-z), |z| < 1.

При использовании символики z-1:

X(z) = 1/(1-z-1) = z/(z-1), |z| > 1.

Экспоненциальная функция:

x(k) 0 при k < 0, x(k) = ak при k  0.

X(z) =x(k) zk = ak zk = (az)k.

Как и в предыдущем случае, ряд сходится при |az| > 1, т.е. при |z| < |a|, при этом:

X(z) = 1/(1-az), |z| > |a|.

Связь с преобразованиями Фурье и Лапласа. Запишем дискретный сигнал sk в виде суммы весовых импульсов Кронекера:

sk = s(kt) =s(nt) (kt-nt).

Определим спектр сигнала по теореме запаздывания:

S() =s(kt) exp(-jkt).

Выполним замену переменных, z = exp(-jt), и получим:

S() =s(kt)zk = S(z).

Отсюда следует, что дискретное преобразование Фурье является частным случаем z-преобразования при z = exp(-jt). Аналогичной подстановкой z = exp(-p) может осуществляться переход к дискретному преобразованию Лапласа. В общем виде:

S() = S(z), z = exp(-jt); S(p) = S(z), z = exp(-pt). (6.3.2)

Обратное преобразование:

S(z) = S(),  = ln z/jt; S(z) = S(p), p = ln z/t. (6.3.3)

При отрицательной символике z связь между представлениями осуществляется соответственно подстановками z-1 = exp(jt) и z-1 = exp(p).

Свойства z-преобразования. Без углубления в теорию, можно констатировать, что все свойства ДПФ действительны и для z-преобразования. Отметим некоторые из них.

Линейность: Если S(k) = a·x(k)+b·y(k), то S(z) = aX(z)+bY(z). Соответственно, z-преобразование допустимо только для анализа линейных систем и сигналов, удовлетворяющих принципу суперпозиции.

Задержка на n тактов: y(k) = x(k-n).

Y(z) =y(k)zk =x(k-n)zk =znx(k-n)zk-n = zn x(m)zm = zn X(z).

Соответственно, умножение z-образа сигнала на множитель zn вызывает сдвиг сигнала на n тактов дискретизации.

Для z-преобразования действительны все известные теоремы о спектрах. В частности, свертка двух сигналов отображается в z-области произведением их z-образов, и наоборот:

s(k) * h(k)  S(z)H(z), s(k)·h(k)  S(z) * H(z).

При z = exp(-jt) z-преобразование представляет собой особую форму представления дискретных сигналов, при которой на полином S(z) можно ссылаться как на временную функцию (по значениям коэффициентов kt), так и на функцию частотного спектра сигнала (по значениям аргумента ).

Рис. 6.3.1. Комплексная z-плоскость

Отображение z-преобразованиявыполняют на комплексной z-плоскости с Re z и Im z по осям координат (рис. 6.3.1). Спектральной оси частот  на z-плоскости соответствует окружность радиуса:

|z| = |exp(-jt)| = = 1.

Подстановка значения какой-либо частоты  в z = exp(-jt) отображается точкой на окружности. Частоте = 0 соответствует точка Re z = 1 и Im z = 0 на правой стороне оси абсцисс. При повышении частоты точка смещается по окружности против часовой стрелки, и занимает крайнее левое положение на частоте Найквиста N = /t (Re z = -1, Im z = 0). Отрицательные частоты спектра отображаются аналогично по часовой стрелке на нижней полуокружности. Точки N совпадают, а при дальнейшем повышении или понижении частоты значения начинают повторяться в полном соответствии с периодичностью спектра дискретной функции. Проход по полной окружности соответствует одному периоду спектра, а любая гармоника спектра сигнала задается на плоскости двумя точками, симметричными относительно оси абсцисс.

Z-преобразование позволяет производить разложение сигналов и функций, например передаточных функций фильтров, на короткие составляющие операции свертки, для чего достаточно приравнять z-полином к нулю, найти его корни ai, и переписать полином в виде произведения двучленов:

S(z) = a0(z-a1)(z-a2)...,

где а0- последний отсчет сигнала (коэффициент при старшей степени z).

Но произведению в z-области соответствует свертка в координатной области, и при обратном преобразовании двучлены (z-ai) превращаются в двухточечные диполи {-ai,1}, а сигнал длиной N представляется сверткой (N-1) диполей:

sk= a0{-a1,1}*{-a2,1}*{-a3,1}* ...

Пример. sk = {1.4464, -2.32, 3.37, -3, 1}. S(z) = z4-3z3+3.37z2-2.32z+1.4464. a0 = 1.

Корни полинома S(z): a1 = 0.8+0.8j, a2 = 0.8-0.8j, a3 = 0.7+0.8j, a4 = 0.7-0.8j,

S(z) = (z-0.8-0.8j)(z-0.8+0.8j)(z-0.7-0.8j)(z-0.7+0.8j).

Корни полинома представлены на z-плоскости на рис. 6.3.1. Корни полинома комплексные и четыре двучлена в координатной области также будут комплексными. Но они являются сопряженными, и для получения вещественных функций следует перемножить сопряженные двучлены и получить биквадратные блоки: S(z) = (z2-1.4z+1.13)(z2-1.6z+1.28).

При переходе в координатную область: sk = {1.13, -1.4, 1} * {1.28, -1.6, 1}.

Таким образом, исходный сигнал разложен на свертку двух трехчленных сигналов (функций).

Аналитическая форма z-образов существует для z-преобразований, если возможно свертывание степенного ряда в аналитическое выражение. Выше, в примерах z-преобразования, уже приводилось приведение к аналитической форме z-образов функции Хевисайда и экспоненциальной функции.

Обратное z-преобразование в общем случае производится интегрированием по произвольному замкнутому контуру C, расположенному в области сходимости и окружающему все особые точки (нули и полюсы) z-образа:

sk = (1/2j)

Способом, удобным для практического применения, является разложение рациональных S(z) на простые дроби. С учетом линейности преобразования:

S(z) =an/(1-bnz)  an(bn)k = sk.

Пример. S(z) = 1/(1-5z+6z2) = 3/(1-3z)-3/(1-2z)  33k -32k = s(k).

При разложении функции S(z) по степеням z обратное z-преобразование не вызывает затруднений.